可视化专业软件在基础理论化学教学中的应用

笪良国

（淮南师范学院 化学与化工系，安徽 淮南 232001）

可视化专业软件在基础理论化学教学中的应用

笪良国

（淮南师范学院 化学与化工系，安徽 淮南 232001）

在基础理论化学教学中应用可视化专业软件创建、计算并展示分子的微观结构,使抽象的化学理论变得形象、简单。这有利于培养学生的空间思维和形象思维能力，提高课堂教学效果，激发学生对理论化学的学习兴趣。

理论化学；教学；Gaussview；Gaussian03

随着计算机辅助教学的广泛开展，在专业领域采用新的教学思想以及与之相匹配的可视化教学软件，使课堂教学既具科学性、条理性，又具有多样性、生动性和直观性，能使学生从受体变成主体中的一部分，让学生对学习过程和效果有更大的透明度和自主空间。在基础理论化学教学中，由于原子、分子及晶体的微观结构，无法通过肉眼进行直接观察，并且微观结构难以用宏观模型进行科学的描述，这就需要严谨、清晰的教学思想与先进且恰当的教学手段。传统的以“教师+黑板+粉笔”的教学模式或凭借一些球棍实体模型教具帮助学生理解的教学方式，存在模型有限和难以表达一些抽象、复杂的空间构型的缺点，使学生缺乏形象化和空间化的思维环境。为克服这一缺陷，笔者将Gaussian03和Gaussview等可视化专业计算化学软件应用于基础理论化学的教学中，通过对分子构型的创建、计算以及对分子微观结构的多角度全方位可视化展示，使教学内容从抽象到直观、从复杂变得简单，这增强了学生学习的积极性，提高了课堂教学质量和教学效果。

1 可视化专业软件Gaussian03和Gaussview简介

Gaussian 03[1]是近年来使用非常广泛的量子化学综合软件包，在化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域都有着广泛的应用。Gaussian程序可以用来研究分子能量和结构、过渡态的能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、NMR、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等等。理论计算可以模拟在气相和溶液中的体系，可以模拟基态和激发态。Gaussian可执行程序可以在不同型号的大型计算机、超级计算机、工作站或个人计算机上运行，并相应有不同的版本。

Gaussview是一个专门设计用于Gaussian配套使用的软件，其主要用途有两个：一是构建Gaussian的输入文件；二是以图的形式显示Gaussian计算结果。在用Gaussview构建输入文件时，除了自己创建以外，还可用Gaussview直接读入CHEM3D，HYPERCHEM和晶体数据等诸多格式的文件，从而使其可以与诸多图形软件连用，大大拓宽了Gaussview使用的范围。

2 创建、计算和展示分子结构

在讲授分子对称性[2]时，为了让学生能准确判断分子的对称元素、对称操作以及分子所属的点群，必须让学生对分子的空间构型有一个清晰的了解。这时，我们把Gaussian03程序精确的计算能力与Gaussview的显示能力运用于课堂教学，让学生直观形象地了解物质的微观结构和化学问题处理方法，从而加深对教材内容的理解，为学生进行探究式学习提供一种有用的工具。

2.1 创建Gaussview程序库中已有的分子构型

用Gaussview可直接创建并展示常见分子的构型。例如，展示甲烷分子构型，打开Gaussview程序后，只要直接点击画板即可。图1所示为甲烷分子的球棍模型。展示乙烯这样的链状分子，需要先点击工具栏中的按钮，常见的链状分子就显示在新打开的窗口中，如图2所示。

图1 CH4分子的球棍模型图

图2 常见链状官能团窗口图

选中其中的乙烯分子，接着再点击画板，就生成了乙烯分子，如图3所示。若要展示苯、萘等常见环状结构的分子结构，需要双击工具栏中的按钮，常见的环状有机分子就显示在新打开的窗口中，如图4所示，用创建乙烯分子相类似的操作方法就可得到一些环状分子结构，如图5、图6所示分别为萘分子的球棍模型和C60分子骨架构型。

图3 C2H4分子的球棍模型图

图4 常见环状官能团窗口图

图5 萘分子的球棍模型图

图6 C60分子骨架示意图

2.2 创建Gaussview程序库中没有的分子构型

根据教学需要，我们可以创建Gaussview程序库中没有，但我们自己又想要创建的分子。对于已知构型的分子，这时只需打开Element窗口,选择自己需要的元素及其构型，然后点击画板再利用软件中相关工具进行构建。例如，在讲授对称元素及其对称操作时，我们需要构建BF3分子，打开Gaussview后，双击界面上的 图标，出现如图7所示窗口。点击硼的元素符号“B”，就选中了硼原子，然后，在窗口下部选中平面三角形构型，点击画板，即得平面正三角形构型的BH3分子。

图7 双击图标出现的元素周期表窗口图

再点击图标，选中氟原子，在画板上将H置换成F，图8就是BF3分子的骨架结构。用同样的方法，可创建SF6分子，如图9所示。

图8 BF3分子的骨架结构示意图

图9 SF6分子的球棍模型图

对于未知构型的分子，根据化学键相关理论，可用Gaussview创建初始猜想的构型，然后提交给Gaussian 03进行优化和频率计算，根据虚频个数判断是否是分子的稳定结构，再通过Gaussview从不同角度展示给学生。图10是作者用Gaussian 03软件，采用 B3LYP[3，4]方法在 6-311G*水平上进行优化与频率计算得到的1,1'-联萘-2,2'-二胺稳定构象[5]，其中包括三对R-S对映异构体。

2.3 展示创建的分子结构

图10 1,1'-联萘-2,2'-二胺稳定构型（三对镜面对映异构体）

Gaussview可采用不同的形式展示分子三维结构，如金属线结构模型、帽棍模型、球棍模型等。通过分子模型的旋转、平移和缩放带来生动的立体效果，通过控制鼠标来从不同角度观察分子在空间的形状。将鼠标放在分子上，按左键左右或前后移动，可以调节分子的角度。按住Ctrl键，将鼠标放在分子上，前后移动，可以将分子放大或缩小，左右移动，可以将分子旋转。Shift+鼠标左键组合可以在窗口内平移分子。当工作窗口内有多个分子时，可以用Shift+Alt+鼠标左键组合移动想要移动的分子，以调节各个分子间的距离，可以用Ctrl+Alt+鼠标左键组合，调节其中一个分子的角度，以调节各个分子间的角度。

3 结语

用Gaussian等系列可视化专业软件辅助理论化学的课堂教学,有助于学生理解复杂的分子结构,同时也加强了对学生空间思维、形象思维的培养，提高了教与学的效率和水平，非常值得在理论化学教学中进行推广。

[1]M.J.Frisch，G.W.Trucks and H.B.Schlegel，et al.Gaussian 03[M].Pittsburgh，Gaussian Inc.，2003

[2]王军.结构化学[M].北京：科学出版社，2008：106-123

[3]Becke A D．Density-functional thermochemistry．III．The role of exact exchange[J]．Chem Phys，1993，（98）：5648-5652

[4]Lee C，Yang W，Parr R G，et a1．Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density[J].Phys Rev B，1988，（38）：3098-4107

[5]笪良国，王凤武，赵星.1，1'-联萘-2，2'-二胺的结构和外消旋机理的DFT研究[J].化学研究与应用，2010，22（4）：444-450

O642.4 < class="emphasis_bold">[文献标识码]A

A

1009-9530（2011）05-0094-03

2011-05-23

淮南师范学院教学研究项目（HSJY201021）、教学团队项目（JXTD200802、JXTD200903）及特色专业项目（TSZY200801）

笪良国（1976-），男，安徽桐城人，淮南师范学院化学与化工系副教授。